JP2007504011A - 回転切削用インサートアセンブリ及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

軸を中心に回転される切削用インサートは、金属加工作業中に利用され、回転する工作物に対して用いられて、工具性能を高めることができる。ツールホルダに取り付けられた回転可能なインサートを備えたアセンブリを含む方法を用いて、このような結果を得ることができる。

Description

本発明は、金属加工作業に関し、より詳細には、金属加工作業中に切削用インサートをその中心軸を中心に回転させる方法及びアセンブリに関する。また、本発明は、切削用インサート自体、ツールホルダ及び前記インサートを備えたアセンブリ、並びに、前記アセンブリの動作にも関する。

保持された切削用インサートが回転する工作物に対して付勢される旋盤作業のような金属加工作業中において、工作物に作用するインサートの切削刃は、作業が完了するまで、又は、切削刃が故障メカニズム（例えば、クレータ摩耗や塑性変形）によって正常に作動しなくなり始めるまで、工作物によって加熱される。このような故障モードを回避すると共に、切削用インサートの動作をより効率的にするため、これまでは、円形の切削用インサートが、その中心軸を中心に自由に回転することができるように、ツールホルダに取り付けられてきた。次に、この切削用インサートは、工作物に向けられ、例えば旋盤上にあるこの工作物の回転運動が切削用インサートに対してその接線方向に作用する力を付与するように方向付けられた。工作物の動きが切削用インサートに対して作用することによって、工作物が機械加工されるだけでなく、さらに、円形の切削用インサートがその切削刃の新しい部分を次々と用いるように回転された。従って、理想的な条件下では、切削刃のいずれの部分も、工作物に対し長時間にわたって露呈されることがなかった。さらに、より低い温度において切削刃を作動させることによって、切削力を高め、機械加工作業の効率を向上させることができた。

このようなタイプの回転インサートは、驚くべき速度と著しく長い工具寿命を呈し得る。しかしながら、この同じ回転インサートは、切削条件がわずかに変わると、或いは、この切削用インサートが回転するのに用いられるカートリッジ軸受部が劣化し始めると、同じぐらい著しく故障し得る。

米国特許第４，１７８，８１８号には、円形の切削端を有する回転切削工具によって回転体を切削する方法が述べられている。この切削用インサートは、ハウジング内部に軸受部によって取り付けられたスピンドルに保持されている。このスピンドルを介して風力タービンに潤滑剤が導入されることによって、切削用インサートが回転される。しかしながら、このような切削用インサートの回転を付勢する潤滑剤の流れによって生じるトルクよりも、切削用インサートを回転させ得る切削力から生じるトルクの方がはるかに大きい。切削用インサートは、主に工作物との相互作用によって回転される。風力タービンは、切削用インサートと工作物とが接触せず摩擦回転しない切削中断中であっても、この円形の切削用インサートが回転を続けられるようにするためのものである。従って、この切削用インサートの設計では、回転する工作物から接線方向の力を引き出すことによって、切削用インサートを回転させている。
米国特許第４，１７８，８１８号明細書

金属加工作業中に切削用インサートをその軸を中心に回転させることのできる方法及びアセンブリが必要とされている。このような方法及びアセンブリでは、切削用インサートの回転速度及び回転方向は、工作物の回転によって決定されるのではなく、この切削用インサートに作用する独立した力によって決定される。

本発明の一実施形態は、内部を通って延びる中心軸を有する切削用インサートを含むアセンブリに関し、この切削用インサートは、頂面と、底面と、該頂面と該底面との間にある少なくとも１つの側部と、該少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部にある切削刃とを有する本体から成る。また、このアセンブリは、前記切削用インサートが取り付けられたツールホルダも含み、このツールホルダは、前記切削用インサートを前記中心軸を中心に所定の回転速度で回転させるように構成されている。

本発明の別の実施形態は、頂面と、底面と、該頂面と該底面との間にある少なくとも１つの側部と、該少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部にある切削刃と、前記頂面及び前記底面を通って延びる中心軸とを備えた本体を有する切削用インサートを用いる方法であって、前記中心軸と回転する工作物の長手方向軸とが角度を成すように前記切削用インサートを位置合わせするステップと、前記切削用インサートを前記切削用インサートの前記中心軸を中心に回転させるステップと、前記切削用インサートを前記工作物に対して付勢して機械加工作業を開始するステップとから成る機械加工方法に関する。

本発明の別の実施形態は、内部を通って延びる中心軸を有する本体であって、頂面と、底面と、該頂面と該底面との間にある少なくとも１つの側部と、該少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部にある切削刃と、前記頂面から延出し、前記中心軸から半径方向に等距離で離間されて配置され、前記切削刃から内側に離間された、少なくとも１つの突起と、を有する本体から成る、切削用インサートに関し、前記少なくとも１つの突起は、前記切削用インサートが旋盤作業において用いられる際に前記中心軸を中心に回転されて回転する工作物に対して接触させられる場合、チップ・ブレーカとして機能する。

図１は、矢印２０で示された方向に中心線１５を中心に回転する工作物１０を示しており、例えば、この工作物１０は旋盤上に取り付けられている。ツールホルダ５０には、切削用インサート１００が取り付けられている。この切削用インサート１００は、中心軸１０５を有する。この切削用インサート１００は、回転しないようにツールホルダ５０に保持され、これにより、ツールホルダ５０の回転は、切削用インサート１００の回転に直接的に変換される。一例として、これらの切削用インサート１００及びツールホルダ５０は、矢印１１０で示された方向に回転する。

アセンブリの一部は、中心軸１０５が通って延びるこの切削用インサート１００から構成される。この切削用インサートは、図２〜図４に示されているように、頂面１１７と底面１１９とこれらの間にある少なくとも１つの側部１２０とを備えた本体１１５を有する。この少なくとも１つの側部１２０と頂面１１７との交差部において、切削刃１２５が画定される。切削用インサート１００は、ツールホルダ５０に取り付けられ、このツールホルダ５０は、切削用インサート１００をその中心軸１０５を中心に、１０回／分〜装置の限界、好ましくは６０〜２０，０００回／分、より好ましくは２５０〜１０，０００回／分の範囲内における所定の回転速度で回転させるように構成されている。この所定の回転速度は、工作物１０の回転速度よりも速くても遅くてもよいし、工作物１０の回転速度と同じであってもよい。また、この切削用インサート１００の回転速度は、金属加工作業中に変更可能であってもよい。さらに、この切削用インサート１００の回転速度は、工作物１０の回転速度の関数であってもよく、工作物１０の回転速度に正比例していてもよい。また、この切削用インサート１００の回転速度は、工作物１０の回転速度とは完全に独立していてもよい。

一時的に図１に戻ると、ツールホルダ５０は、スピンドル７５の内部に保持されていてもよく、次に、このスピンドル７５は、所望の方向に且つ所望の所定の回転速度でスピンドル７５を回転させることのできる工作機械に取り付けられる。ツールホルダ５０は、回転工具技術に精通した者に周知の技法であれば、いずれの技法を用いてスピンドル内部に保持されてもよい。しかしながら、図１に示されているように、このスピンドル７５は、内側ボア７６を有し、この内側ボア７６が、ツールホルダ５０を受容すると共に、スピンドル７５の本体に螺合により保持されてツールホルダ５０をスピンドル内部へと付勢するロッキング・ナット８０を利用してツールホルダ５０をスピンドル７５の内部に保持する。ツールホルダをスピンドル内部に保持するこの機構は、回転工具技術に精通した者に周知の機構であれば、多数の異なる機構（コレットやロック・スクリューを含む）のうちのいずれであってもよい。

図１Ａは、スピンドル７５の内部に保持されたツールホルダ５０を示している。スピンドル７５は、スピンドル・ドライバ７７によって駆動される。このスピンドル・ドライバ７７からの閉ループ・フィードバックを用いて、コントローラ７８が、スピンドル７５の回転速度、すなわちツールホルダ５０の回転速度を監視して制御する。

工作物１０は、チャック１２によって、工作物１０を所定の速度で回転させる旋盤１４に固定されていてもよい。このような構造によって、工作物１０を所定の速度で回転させることができると共に、切削用インサート１００を別個に所定の速度で回転させて切削用インサート１００の回転をこの荷重速度に維持することができる。さらに、この切削用インサート１００の回転を工作物１０の回転と同期させることもできる。旋盤１４又はその他の工作機械における工作物１０の回転速度を監視して制御する閉ループ・フィードバック・システムを備えるのが、標準的な実施技法である。

本発明によるスピンドル７５を支持することのできる既存の工作機械には、３つのグループがある。工作機械のこれらのグループはそれぞれ、閉ループ・フィードバック・コントローラを備えることによって、スピンドルの回転速度を厳密に監視して制御することができる。第１のグループは、軸が４つ以上あるマシニング・センタであり、ツールホルダは、スピンドルに保持されスピンドルによって回転される。工作物は、Ｂ又はＣ回転軸によって回転され、ツールホルダは、この回転軸のＺ軸方向中央に配置される。ツールホルダは、工作物の直径を回転させるためにＹ軸方向に送られるか、工作物と対向するためにＸ軸方向に送られる。

工作機械の第２のグループとしては、旋盤／フライス切削複合機械が挙げられる。一般的に旋削／フライス切削複合機械と呼ばれるこのような機械では、ツールホルダはスピンドルによって回転されるが、工作物は主軸台におけるスピンドルによって回転される。ツールホルダは次に工作物のＸ軸方向中央に配置され、対向動作はＹ軸方向に行われる。工作物の直径は、ツールホルダをＺ軸方向に送ることによって回転される。

可能な工作機械の第３のグループとしては、スピンドルと後方嵌合されてインサートを回転させる従来の２軸旋盤が挙げられる。このスピンドルは、主軸台の中心線及びＸ軸にほぼ垂直に取り付けられる。対向動作はＸ軸方向移動によって行われる一方、工作物の直径の回転はＺ軸方向移動によって行われる。

この後方嵌合されたスピンドルは、様々な手段によって駆動することができる。電気サーボ駆動は、コンピュータ数値制御システムに組み込みやすく且つスピンドルの回転速度をプログラミングしやすいという利点を有する一方で、油圧式駆動は、よりコストが安いという利点を有すると共に、工作機械筺体内の悪環境（潤滑剤、切り屑、熱など）において非常に粗雑な構造をもたらす。

図２〜図４に目を向けると、切削用インサート１００は、回転しないようにツールホルダ５０に保持される。詳細には、切削用インサート１００の底面１１９は、そこから延出する１つ以上の突起１３０を有し、これらの突起１３０は、ツールホルダ５０の面５７にある１つ以上の凹部５５と嵌合可能である。切削用インサート１００をツールホルダ５０の面５７に対して付勢することにより、インサートの突起１３０は、ツールホルダの凹部５５と係合して、切削用インサート１００とツールホルダ５０とを積極結合させ、これにより、切削用インサート１００は、ツールホルダ５０に保持されて回転することとなる。

切削用インサート１００は、さらに、底面１１９にあるこれらの突起１３０と同一であってもよい１つ以上の突起１３５を頂面１１７に有することにより、反転可能であって、どちらの位置においてもツールホルダ５０によって積極的に駆動され得る。

図５に目を向けると、切削用インサート２００は、その底面２１９とツールホルダ５０の面５７との間の摩擦力だけで、このツールホルダ５０の面５７に保持されてもよい。切削用インサート２００は、その内部を通り中心軸２０５に沿って延びるボア（図示せず）よりも大きなヘッド２３２を有する取り付けねじ２３０を利用し、ツールホルダ５０に対して摩擦により付勢されてもよい。この取り付けねじ２３０は、ツールホルダ５０に螺合により保持される。この方式では、切削用インサート２００がツールホルダ５０に対して付勢されることによって、切削用インサート２００とツールホルダ５０とが摩擦結合され、ツールホルダ５０の回転が切削用インサート２００に伝達される。

本発明による切削用インサートは、金属加工作業で一般的に利用されている材料であれば、いずれの材料からできていてもよく、例としては、スチール、超硬合金、サーメット、セラミック、ＰＣＢＮ（多結晶窒化ホウ素）、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）、及び、ダイヤモンドが挙げられる。これらの材料にはそれぞれ、性能を高めるためにコーティングを施してもよいし施さなくてもよい。この切削用インサートに用いられる材料及び／又はコーティングは、工作物の材料及び切削条件に応じて選択される。

背景技術において前述したように、これまでは、自由に回転するインサートがツールホルダに取り付けられ、工作物の回転がインサート上に接線方向の力を付与していた。このため、工作物が回転されると、インサートは保持されたツールホルダに対して回転し、これにより、機械加工作業中において、切削用インサートの新しい部分が次々と用いられた。

本発明によれば、切削用インサート１００が保持されたツールホルダ５０は、工作物１０の回転とは完全に独立して回転される。回転する工作物に対して配置された自由に回転する切削用インサートの回転方向は、この切削用インサートの向き並びに工作物の回転速度及び回転方向によって決定されるが、本発明による構造は、これらの可変要素に従属していない。それとは反対に、本発明による構造は、切削用インサート１００を、中心軸１０５を中心にして時計回り又は反時計回りに且つ所望のあらゆる所定の速度で回転させることができる。図１では、切削用インサート１００の回転方向は、反時計回り方向に回転するものとして矢印１１０で示されている。切削用インサート１００の回転がこの矢印１１０で示された回転と反対になるように、ツールホルダ５０の回転方向を変更することは十分に可能である。また、回転しないようにツールホルダ５０を保持することも可能である。

切削用インサート１００の回転方向を決定することによって、切削作業中における切削用インサートにわたる温度分布を管理することができる。例えば、切削用インサート１００が矢印１１０で示された反時計回り方向に回転している場合、切削刃１２５は、工作物を離れると、切削用インサート１００に最大の力及び最高の温度が生じるときである肩領域１４５に再度入るときまで冷却される。一方、切削用インサート１００が（矢印１１０で示された方向と反対の）時計回り方向に回転している場合には、切削刃１２５は、肩領域１４５の前にまず小径部１４３に沿って工作物と接触し始め、切削作業の最も困難な部分である肩領域１４５に入るときまで少なくとも部分的に加熱される。従って、これから分かるように、切削作業のエネルギーは、工作物１０に対する切削用インサート１００の回転方向に応じて変化する。

切削用インサート１０の所定の回転速度を継続することにより、この切削用インサートにわたる熱分布がより均一となり、その結果、この切削用インサートにわたり熱を均一に分散させて、インサート本体内部における応力の一因となる温度変化を最小限に抑えることができる。

これまでは、円形をした切削用インサート１００及び切削用インサート２００に関して述べてきた。このような切削用インサートは、ツールホルダ５０が工作物１０の中心軸１５に対して平行に動かされる限り、断面が円形の機械加工部分をもたらす。しかしながら、断面が非円形の切削用インサートを利用することも十分に可能である。

図６に目を向けると、切削用インサート３００は、頂面３１７と、底面３１９と、頂面３１７と交差して切削刃３２５を定める少なくとも１つの側部３２０とを備えた、本体３１５を有する。この頂面３１７は、非円形であり、楕円形をしていてもよい。切削用インサート１００（図１）が回転しないようにツールホルダ５０に保持されているのと同じように、切削用インサート３００も回転しないようにツールホルダ５０（図１）に保持されてもよい。このような楕円形の切削用インサート３００を収容するには、ツールホルダ５０の前端部の形状をわずかに変更しなくてはならないと考えられる。しかしながら、切削刃３２５にかかる切削負荷に応じて、切削用インサート３００は、その底面３１９全体に沿って支持される必要がある場合もあればない場合もある。いずれにせよ、作業中、楕円形の切削用インサート３００の回転を工作物１０の回転と同期させることによって、機械加工される工作物自体の断面を非円形としてもよい。一例として、工作物１０が１回転する毎に、切削用インサート３００がその中心軸３０５を中心に完全に１回転するようにすると、工作物１０の機械加工部分の断面は楕円形となる。一方、この楕円形の切削用インサート３００の回転速度を工作物１０の回転速度の何倍かにすると、機械加工される工作物１０の断面には、円形断面の複数の波形ができる。このような構造は、ねじ山の角度が急なボールねじを製造するのに用いることができる。

図７は、同じく非円形の切削用インサート４００を示している。しかしながら、この設計では、切削用インサート４００は、ほぼ八角形の頂面４１７を備えた本体４１５を有する。頂面４１７と側部４２０とは交差して、ファセット４３０を有する切削刃４２５を定める。切削用インサート４００のその中心軸４０５を中心とする回転速度を、工作物１０の回転速度に対して制御することによって、例えば、装飾仕上げが施された工作物を生成してもよい。このような形状は、屑の制御にも有用であり得る。

特定の金属加工作業の条件に応じて、工作物１０から切除された材料から成る切り屑をより小さくする機構を備えた切削用インサートを設計することが望ましい場合もある。詳細には、再度図５に目を向けると、切削用インサート２００は、その周辺部周囲にある切削刃２２５を断続する少なくとも１つの切欠き２４０を有して、工作物を断続切削してもよい。そうすることによって、この切欠き２４０は、でき始める切り屑をいずれも分断するか又は分断を促すように機能する。切削刃２２５の周辺部周囲に複数の切欠き２４０を設けることも、十分に可能である。しかし、当然のことながら、このような切欠き２４０の導入によって屑の制御にもたらされる利点は、荒削り作業の場合にのみ当てはまり、工作物１０に比較的滑らかな表面仕上げを施す必要がある場合には、連続的な切削刃２２５を優先して、このような切欠き２４０は設けなくてもよい。

他の屑制御機構を導入することによって、工作物１０から切除された材料から成る切り屑の大きさを制御することも可能である。再度図２〜図４に目を向けると、切削用インサート１００の頂面１１７上の突起１３５も、切削用インサート１００の切削深さが、切削作業中にできる屑をこれらの突起１３５のうちの１つ以上に当てるのに十分な深さである限り、チップ・ブレーカとして機能し得る。また、突起１３５の半径方向長さを、切削刃１２５に近づくように延長することもできる。これらの突起１３５は、ツールホルダの面５７に隣接して配置される場合には、切削用インサート１００を回転しないようにツールホルダ５０に保持するように位置決めされるが、このインサートの切削深さが浅いときには、金属加工作業中に屑ができるように、半径方向外側に延長することが望ましい場合もある。このような半径方向に延出する突起１３５のうちの１つ以上に屑が当たることにより、これらの突起１３５は、ツールホルダの面５７に隣接している場合に正回転ロック機構として機能するだけでなく、ツールホルダの面５７に面していない場合にはチップ・ブレーカとしても機能する。

通常、切削用インサートは、回転工具技術に精通した者に周知の機構であれば、様々な機構を用いて、回転しないようにツールホルダ５０に保持されてもよい。このような一実施形態が、図２Ａに示されている。コレット８５が、ツールホルダ５０の内部を延びるボア８７に取り付けられ、切削用インサート１００は、このコレット８５を介してツールホルダ５０に保持され得る。詳細には、図２Ａに示されたこの実施形態に関し、切削用インサートの本体１１５は、その内部を通り中心軸１０５に沿って延びるボア１３７を有する。このボア１３７は、内径Ｄ１（図２Ａ）の内壁１４０（図３）を有する。コレット８５は、中心軸１０５と位置合わせされ、回転しないようにツールホルダ５０のボア８７に保持されると共にこのボア８７から突出する。このコレット８５は、内側ねじ切りボア８９と、最大外径Ｄ２（図２Ａ）がインサートのボアの最大内径Ｄ１よりも小さい外壁８６とを有していてもよい。このコレットの内側ねじ切りボア８９には、ボルト９０が螺合により固定可能である。従って、コレット８５がツールホルダ５０のボア８７に取り付けられた状態において、切削用インサート１００がコレット８５の上に配置され、ボルト９０が切削用インサート１００のボア１３７を通して配置される。このボルトは、次に、コレット８５のねじ切りボア８９と螺合により係合し、これにより、切削用インサート１００がコレットの外壁８６上に取り付けられた状態において、インサートのボア１３７がコレットの外壁８６上に嵌合する。次に、このボルト９０が締め付けられることによって、コレット８５は拡張し、その外壁８６を切削用インサートのボアの内壁１４０に対して保持する。その結果、切削用インサート１００は、回転しないようにツールホルダ５０に保持される。

図２及び図２Ａに示されたコレット８５は、一定の外径Ｄ２を有して円形を画定している。当然のことながら、このコレットの形状は円形に限定されず、別の非円形のコレットを収容するように切削用インサート１００の内壁１４０を変更しなくてはならないということを理解した上であれば、様々な非円形のコレットのいずれを用いてもよい。しかしながら、このような収容に関する詳細は、回転工具技術に精通した者には周知のことである。一例として、このコレットは、楕円形の外面を有して、楕円形の切削用インサートと嵌合してもよい。

コレット８５は、図２Ａでは取り外し可能にツールホルダ５０に保持されているが、ツールホルダ５０の内部に永久的に取り付けられるか又はツールホルダ５０の一体部品であることも可能である。

図８に示されているように、ツールホルダ／切削用インサート５００は、１つの一体部品である。このツールホルダ／切削用インサート５００は、前述したツールホルダ５０と同じ特徴を全て備えているが、切削用インサートがツールホルダ５０の端部から分離しているのではなくこの端部に回転しないように保持されており、交差して切削刃５２５を形成する頂面５１７と側部５２０とを備えた切削端部５０２を有する。このような状況下では、ツールホルダ／切削用インサート５００の切削端部５０２を繰り返し研ぐことによって、予期せぬ損傷がない限り工具寿命が非常に長い一体型のツールホルダ／切削用インサート５００が提供される。

これまで述べてきた取り外し可能な切削用インサートはほぼ円盤形をしていたが、インサートの頂面及び少なくとも１つの側部が本明細書中で述べた特徴を備える限り、異なる形状をしたインサートを用いることもできる。

詳細には、図９は、頂面６１７と、底面６１９と、頂面６１７と交差して切削刃６２５を画定する側部６２０とを備えた、柱状の切削用インサート６００を示している。この切削用インサート６００は、截頭円錐形の支柱６３０を有し、この支柱６３０がツールホルダ９００内部の嵌合ボア６５０に嵌合することによって、支柱６３０と嵌合ボア６５０とが摩擦嵌合される。このような方式では、切削用インサート６００は、回転しないようにツールホルダ９００の内部に保持される。この構造は、機械加工作業中に切削用インサート６００に生じる力が切削刃６２５に作用することにより、コンポーネントをツールホルダの中心軸９５２に沿った状態にする圧縮力がもたらされる場合に、特に適している。

背景技術において、回転しないインサートの工具故障モードは、インサートの切削刃における１つの特定箇所に温度及び力が集中することによって生じるクレータ摩耗及び塑性変形であるとした。本発明によるこの設計は、従来技術の金属切削条件のこのような故障モードを最小限に抑える一方で、熱を切削用インサートからツールホルダへ非常に効果的に伝達することによりツールホルダを過剰温度で損傷させてしまう可能性がある。従って、このツールホルダには、冷却機構を導入することが望ましい場合もある。

図１０に目を向けると、変形されたツールホルダ７５０は、その長さに沿って延びるボア７５５を有し、このボア７５５を通して、潤滑剤が供給され得る。取り付けられる切削用インサート７００は、このボア７５５に保持され、切削用インサート７００自体は、ツールホルダ７５０内部のこのボア７５５と同一直線上にあり得るボア７０５を有する。切削作業中にボア７５５を介して導入された潤滑剤は、切削用インサート７００のこのボア７０５を通って進み、切削領域付近において流出する。このように、潤滑剤は、切削領域を冷却すると共に、さらに、ツールホルダ７５０及び切削用インサート７００を冷却するのに利用され得る。

切削用インサート７００の細部が、図１１に示されている。切削用インサート７００は頂面７１７及び側部７２０を有し、これらは交差して切削刃７２５を画定する。切削用インサート７００の長さに沿って延びるボア７０５は、ツールホルダ７５０のボア７５５（図１０）と流体連結している。チップ・ブレーカ７４０が、インサートの頂面７１７の幅にわたって延びており、図３及び図４の突起１３０及び１３５と同様の方式で、金属加工作業中における切り屑の生成を促すのに用いられる。

図１０は、直径が一定のボア７０５を示している。実際の切削領域上に潤滑流体をより適切に拡散させるため、図１２に示されているように、同様の切削用インサート８００において、そのボア８０５の流出部８１０は、ボアが頂面８１７に近づくにつれて外側に傾斜する内壁８１２を備えていてもよい。このようなほぼ円錐形をした内壁８１２は、より幅の広い散布領域を介して潤滑流体を効果的に拡散するように機能することによって、切削領域をより効果的に冷却する。この方式では、切削作業によって生じてツールホルダに伝達された熱が効果的に除去され得ると同時に、潤滑流体が切削領域を冷却するように機能する。

ツールホルダを通って延びる潤滑剤用のボアを設けることに加えて、ツールホルダを構成する耐熱性材料を選択することも可能である。一例として、このツールホルダ材料は、インコネルであってもよいし、十分な構造剛性をもたらすと共に耐熱性のある材料であれば、他のいずれの材料であってもよい。

乾式切削作業が必要とされて潤滑剤が工作物に導入されない場合は、図１３に示されているように、ツールホルダ８５０のボア８５５を、ツールホルダ８５０の長さの一部だけに沿って延びるようにすることもできる。このボア８５５に導入される潤滑剤は、加熱されたら、他の潤滑流体で循環させなくてはならない。このような循環は、切削用インサート８００を高い位置に維持し、ボア８５５を通して潤滑流体を散布することによって行うことができ、この潤滑流体は、次に、重力によってツールホルダ８５０の反対側の端部に戻る。別の方法では、例えば、切削用インサート８００がアセンブリの最も低い部分である場合、潤滑流体は、蒸発してボア８５５の反対側の端部に進み、そこで冷却されて液化され得る。

図１３には示されていないが、ツールホルダ８５０の長さ全体にわたってボア８５５を延長し、さらに、切削用インサート８００の一部にわたってボアを取り込むことも十分に可能であり、これによって、ボア８５５に導入される潤滑流体はいずれも、このインサートのボアにも導入され、ツールホルダ８５０と切削用インサート８００との両方が冷却される。ツールホルダ８５０を部分的に通って延びるボア８５５を備えた構造と同様に、切削用インサートを部分的に通って延びると共にツールホルダのボアと連通するボア８５５を備えたこのような構造も、ツールホルダを動かすことによってその内部の潤滑流体を攪拌することができ、これにより、ツールホルダ８５０及び切削用インサート８００にわたってより均一に熱が分散され、熱放散が高まる。また、図１３の切削用インサート８００と同様のインサートを用いて、図１０のツールホルダ７５０を通って延びるボアを「塞ぐ」こともできる。

図１４に目を向けると、切削用インサート１００は、頂面１１７と、この頂面１１７と交差して切削刃１２５を定める側部１２０とを有し、切削刃１２５における頂面１１７と工作物１０の軸１５から延びる放射状の線Ｒとの交差部において形成されるすくい角ＲＡが−１０°〜＋３０°、好ましくは−５°〜＋１５°となるように、工作物１０に対して方向付けされ得る。多くの場合、切削刃から内側に延びるランドがあり、このランドの角度によって切削用インサートのすくい角ＲＡが正、０、又は負となる。このような状況下では、すくい角ＲＡは、ランドの角度（すくい面の角度）と切削用インサートの角度方向とを組み合わせたものである。図１４に示されているように、工作物１０は、軸１５を中心に矢印２０の方向に回転している。

図１５に目を向けると、切削用インサート１００は、切削刃１２５における頂面１１７と工作物１０の軸１５とが交差して、９０°より小さい、好ましくは０°〜３０°の軸角ＡＡを形成するように、送り方向Ｆに対して方向付けされてもよい。以下の表に見られる実施例は、本発明によるアセンブリを利用した結果を示している。

０．５インチのＩＣを備えた円形インサートを、本発明の図９の構造と同様の方式でツールホルダに保持し、森精機(Mori Seiki)のＭＴ２５３工作機械に取り付けた。この実施例は、乾燥状態において行った。切削用インサートは、コーティングされた超硬合金ＫＣ８０５０であった。このＫＣ８０５０という銘柄は、ケンナメタル(Kennametal)社が生み出した独占銘柄である。工作物は、１０４０炭素鋼でできた開始時の直径およそ６インチのログであった。

これまで述べてきたのは、回転しないようにスピンドル内部に保持されたツールホルダであって、スピンドルの回転がツールホルダの回転に変わり、このツールホルダの回転が切削用インサートの回転に変わる。この構造では、スピンドルを回転させることが必要とされる。一方、保持されたスピンドルと、補助的な駆動機構、例えば、このスピンドルに取り付けられ、このスピンドル内部のツールホルダを回転させることのできるモータ、とを利用することも、十分に可能である。

また、本発明の装置を利用することによって、工作物の重ね幅にわたって材料を切除する前述した旋盤作業ではなく、ねじ山を作るように工作物を機械加工することも可能である。図１６及び図１７は、ねじ山を作るように工作物が機械加工される構造を示している。このようにねじ山を作るには、インサートの送り速度と工作物の回転とを厳密に同期させることが必要とされる。ツールホルダ５０に保持された切削用インサート１００は、その中心軸１０５が工作物１０の中心線１５と角Ｚを成すように方向付けられる。さらに、切削用インサート１００の中心軸１０５に対して垂直な線は、工作物の中心線１５から延びる放射状の線Ｒと逃げ角Ｙを成す。

一例では、工作物１０は、４１４０合金鋼でできている。逃げ角Ｙは７°であり、角Ｚも７°である。０．５インチのＩＣを備えた円形インサートである切削用インサート１００は、スピンドルの回転軸Ｂに対して垂直に方向付けられる。工作物１０の回転速度は１００回転／分であるのに対し、切削用インサート１００の回転速度はその２倍、即ち２００回転／分である。切削用インサート１００の送り速度は、ねじ山の所望のピッチに等しく、３インチ／回転である。切削深さは、０．０１０インチである。このような状況下では、金属の切除速度は、６立方インチ／分である。

本発明の特定の実施形態に関して詳細に説明してきたが、この開示の全体的な教示を考慮した上でこれらの細部に対し様々な変更及び代替を行うことができる、ということは当業者には認められるであろう。本明細書中で説明したこの好適な実施形態は、単に例示することを意図したに過ぎず、本発明の範囲を制限することを意図したのではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の全範囲及びそのあらゆる全ての等価物に及ぶ。

回転する工作物上で作動する回転可能なインサートを備えたツールホルダの斜視図である。 回転するスピンドルに取り付けられたツールホルダと、旋盤上に配置された工作物とを示す、略図である。 ツールホルダと、切削用インサートをツールホルダに保持するのに関連する部品との、分解斜視図である。 図２の一部の拡大図である。 本発明によるインサートの頂面図である。 図３に示されたインサートの側面図である。 周辺切欠きを有すると共にねじでツールホルダに保持された切削用インサートの斜視図である。 本発明の一実施形態による楕円形をしたインサートの斜視図である。 本発明の一実施形態による八角形をしたインサートの斜視図である。 切削用インサートとして機能するように成形された一体型端部を有するツールホルダの斜視図である。 ツールホルダと、このツールホルダ内部に嵌合可能な截頭円錐形基部を有する切削用インサートとの、分解斜視図である。 インサートが取り付けられ潤滑剤ボアが内部を通って延びるツールホルダの断面斜視図である。 チップ・ブレーカ及び截頭円錐形基部を備えた切削用インサートの断面斜視図である。 内部を通って延びる潤滑剤ボア及び截頭円錐形基部を備えた切削用インサートの断面斜視図である。 インサートが取り付けられ潤滑剤ボアが内部を部分的に通って延びるツールホルダの断面斜視図である。 旋削作業における回転インサートの向きを、回転する工作物の端面から示す、略図である。 図１４に示された構造の平面図である。 回転する工作物及びねじ切り作業における回転インサートの向きを、平面から示す略図である。 図１６に示された構造の端面図である。

Claims (42)

1. ａ）内部を通って延びる中心軸を有する、切削用インサートであって、
   １）頂面及び底面と、
   ２）前記頂面と前記底面との間にある少なくとも１つの側部と、
   ３）前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部にある切削刃と、
   を有する本体から成る、切削用インサートと、
   ｂ）前記切削用インサートが取り付けられたツールホルダであって、前記切削用インサートを前記中心軸を中心に所定の回転速度で回転させるように構成されたツールホルダと、
   から成る、アセンブリ。
2. 前記ツールホルダに取り付けられたスピンドルをさらに含み、前記スピンドルが、前記切削用インサートを回転させる前記ツールホルダを回転させる、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記スピンドルが、前記スピンドルを回転させることのできる工作機械に取り付けられるように構成された、請求項２に記載のアセンブリ。
4. スピンドル・ドライバと、前記スピンドル・ドライバに接続されたコントローラとをさらに含み、前記コントローラが、閉ループ・フィードバックを有して前記スピンドルの回転速度を監視して制御する、請求項２に記載のアセンブリ。
5. 前記コントローラが、工作物の回転を監視し制御して、前記工作物の速度を前記スピンドルの速度に直接的に関係させるように構成された、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記切削用インサートが前記ツールホルダに対して付勢されて、前記切削用インサートと前記ツールホルダとが摩擦結合され、前記ツールホルダの回転が前記切削用インサートに伝達される、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記切削用インサートの前記底面が、前記底面から延出する突起を有し、前記突起が、前記ツールホルダの凹部と嵌合可能であり、前記切削用インサートが前記回転可能なツールホルダに対して付勢されると、前記切削用インサートと前記ツールホルダとが積極結合され、前記切削用インサートが回転するように前記ツールホルダに保持される、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記切削用インサートが、前記底面の前記突起と同一の突起を前記頂面にさらに含むことによって、反転可能であって、どちらの位置においても前記ツールホルダによって確実駆動され得る、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記切削用インサートの前記頂面と前記底面との少なくとも一方から延出する屑制御突起をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記切削用インサートが、楕円形状であり、断面が非円形となるように工作物を成形する、請求項１に記載のアセンブリ。
11. 前記切削用インサートが、多角形状であり、工作物を成形する、請求項１に記載のアセンブリ。
12. 前記切削用インサートが、前記切削用インサートの周辺部周囲にある前記切削刃を断続する少なくとも１つの切欠きを有して、工作物を断続切削する、請求項１に記載のアセンブリ。
13. 前記切削用インサートの中心を通って延びるボアをさらに含み、ねじ溝付きねじが、前記ボアを通って延び、前記ツールホルダのねじ溝付きボアと螺合することによって、前記切削用インサートが前記ツールホルダに保持される、請求項１に記載のアセンブリ。
14. 前記ツールホルダから延びるコレットと、前記切削用インサートの中心を通って延びるボアとをさらに含み、前記切削用インサートを通って延びる前記ボアに前記コレットを保持することによって、前記切削用インサートが前記ツールホルダに保持される、請求項１に記載のアセンブリ。
15. 前記ツールホルダが、耐熱性材料からできている、請求項１に記載のアセンブリ。
16. 前記切削用インサートが、回転可能なシャンクと一体化されている、請求項１に記載のアセンブリ。
17. 前記切削用インサートが、前記ツールホルダを通って延びるボアと嵌合可能な截頭円錐形側部を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
18. 前記切削用インサートの前記側部が、前記ツールホルダの前記ボアと摩擦嵌合する、請求項１７に記載のアセンブリ。
19. ボアが前記切削用インサートの長さにわたって延びることによって、潤滑剤通路が形成される、請求項１７に記載のアセンブリ。
20. 前記切削用インサートの頂部における前記ボアが、上方に広がった円錐形のテーパ部を有し、潤滑剤が工作物に拡散される、請求項１９に記載のアセンブリ。
21. ボアが前記ツールホルダ内部を延びると共に完全に閉鎖されており、流体が前記ボアを部分的に満たすことによって、前記ツールホルダの動きが前記流体を攪拌し、これにより、前記ツールホルダにわたってより均一に熱が分散されて、熱放散が高まる、請求項１に記載のアセンブリ。
22. コレットが前記ツールホルダ内部に取り付けられ、前記切削用インサートが前記コレットを介して前記ツールホルダに保持される、請求項１に記載のアセンブリ。
23. ａ）前記切削用インサートの前記本体が、前記中心軸に沿って延び、内径を備えた内壁を定める、ボアを有し、
    ｂ）前記コレットが、長手方向軸と位置合わせされ、前記ツールホルダ内部に回転しないように保持されて前記ツールホルダから突出すると共に、内側ねじ切りボアと、前記インサートの前記ボアの最大内径よりも小さい最大外径とを有し、
    ｃ）取り付けボルトが、前記コレットの前記内側ねじ切りボアに、螺合により保持可能であり、
    ｄ）前記切削用インサートが、前記切削用インサートの前記ボアの前記内壁内部を延びる前記コレットの外壁上に取り付けられ、前記取り付けボルトが締め付けられて、前記コレットの前記外壁が、拡張して前記切削用インサートの前記ボアの前記内壁に対して保持される、
    請求項２２に記載のアセンブリ。
24. 前記コレットが一定の外径を有して、円形である、請求項２３に記載のアセンブリ。
25. 前記コレットの外径が一定でなく、非円形である、請求項２３に記載のアセンブリ。
26. 前記コレットの外径が一定でなく、楕円形である、請求項２５に記載のアセンブリ。
27. 前記コレットが、取り外し可能に前記ツールホルダ内部に保持される、請求項２２に記載のアセンブリ。
28. 前記ツールホルダが、配置されたスピンドル内部に回転しないように取り付けられると共に、前記スピンドルが、回転駆動機構を有して前記ツールホルダを回転させる、請求項１に記載のアセンブリ。
29. 頂面及び底面と、前記頂面と前記底面との間にある少なくとも１つの側部と、前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部にある切削刃と、前記頂面及び前記底面を通って延びる中心軸とを備えた、本体を有する、切削用インサートを用い、
    ａ）前記中心軸と回転する工作物の長手方向軸とが角度を成すように、前記切削用インサートを位置合わせするステップと、
    ｂ）前記切削用インサートを、前記切削用インサートの前記中心軸を中心に所定の速度で回転させるステップと、
    ｃ）前記切削用インサートを前記工作物に対して付勢して、機械加工作業を開始するステップと、
    から成る、機械加工方法。
30. 前記切削用インサートが、前記工作物の回転速度以上の速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
31. 前記切削用インサートが、前記工作物の回転速度よりも遅い速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
32. 前記切削用インサートが、所定の速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
33. 前記所定の速度が、変更可能である、請求項３２に記載の方法。
34. 前記所定の速度が、前記回転する工作物の速度とは独立している、請求項３２に記載の方法。
35. 前記切削用インサートが、前記回転する工作物の速度に直接的に関係する速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
36. 前記切削用インサートが、前記回転する工作物の速度に正比例する速度で回転する、請求項３５に記載の方法。
37. 前記切削用インサートの前記中心軸が、前記工作物の外面の接線に対して非平行に方向付けられると共に、前記切削用インサートが、前記回転する工作物が前記切削用インサートを回転させる方向とは逆の回転方向に駆動される、請求項２９に記載の方法。
38. 前記切削用インサートの前記中心軸が、前記工作物の外面の接線に対して非平行に方向付けられると共に、前記切削用インサートが、前記回転する工作物が前記切削用インサートを回転させる方向と同じ回転方向に駆動される、請求項２９に記載の方法。
39. 前記切削用インサートの前記頂面が非円形であって、前記切削用インサートの回転を前記工作物の回転と同期させて前記工作物の断面を非円形にするステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
40. 内部を通って延びる中心軸を有する本体であって、
    ａ）頂面及び底面と、
    ｂ）前記頂面と前記底面との間にある少なくとも１つの側部と、
    ｃ）前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部にある切削刃と、
    ｄ）前記頂面から延出すると共に前記切削刃から内側に離間した少なくとも１つの突起と、
    を有する本体から成る、切削用インサートであって、
    前記切削用インサートが旋盤作業において用いられると共に、前記中心軸を中心に回転されて回転する工作物に対して用いられる場合、前記少なくとも１つの突起が、チップ・ブレーカとして機能する、切削用インサート。
41. 前記少なくとも１つの突起が、前記切削用インサートの中心線の周囲に等角度で離間された少なくとも２つの突起から成る、請求項４０に記載の切削用インサート。
42. 前記切削刃が円形をした、請求項４０に記載の切削用インサート。

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